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轴向槽道热管中重力-毛细蒸发传热特性研究

李雪洁  
【摘要】:近年来,随着电子元器件的微型化、模块化及高功率化,其热流密度急速增加,由此造成的散热及均温问题已成为了影响电子系统稳定,限制电子器件性能发展的主要障碍。轴向槽道热管是一种基于蒸发-冷凝耦合相变传热原理的高效传热元件,具有热阻低,传热系数大,均温性好的特点,是解决高热流密度电子器件散热问题的一种优选方案,目前已广泛应用于电子设备散热领域中。因此,开展微槽道结构热管内气液两相流行为与相变传热特性的研究对微槽道热管的推广和利用具有重要意义。但是,由于应用场景及工作空间的限制,轴向槽道热管常处于倾斜工作状态。已有研究表明,重力对槽道中气-液相变过程中的蒸发行为有显著的影响。然而,微槽道中的重力-毛细蒸发机理尚并未被完全熟知。另外,对倾斜状态下轴向槽道热管的最大传热能力的研究开展也较少,也需要进一步开展。为此,本文开展了轴向槽道热管气液两相流动的可视化实验研究,可视化观测了轴向槽道热管在小角度倾斜状态下的重力-毛细蒸发过程中的气液两相界面分布特征,并实验测试了该型热管在倾斜状态下的重力-毛细蒸发热响应特性,研究了加热功率,倾斜角度对重力-毛细蒸发传热特性的影响规律。同时,本文建立了小角度倾斜状态下重力-毛细蒸发轴向槽道热管的最大传热能力模型,获得了重力-毛细蒸发轴向槽道热管内在工作过程中,小角度倾斜状态下重力-毛细蒸发轴向槽道热管内的流动与传热特性,并研究了工作倾角、槽道结构对其最大传热能力的影响。概况起来,本文的主要研究内容与结论如下:本文首先通过小角度倾斜状态下重力-毛细蒸发轴向槽道热管气液两相流动与传热可视化实验研究,研究结果表明,(1)加热功率较小时,槽道蒸发段角膜蒸发和肋膜蒸发可能同时存在,当热负荷足够大时,在蒸发段仅有角膜蒸发出现;(2)回流的冷凝液所受到的剪切力、重力与毛细力合力的不平衡引发了两相流的不稳定性,使得弹状体界面发生了随机振荡现象;(3)水平状态与倾斜状态下的轴向槽道热管蒸发段的壁温逐渐升高,在启动过程中没有温度超调启动现象发生,但当热负荷较高时,倾斜状态的轴向槽道热管出现了超调启动和温度振荡现象。另外,本文还开展了轴向槽道热管重力-毛细蒸发临界热流的理论研究,研究结果表明,(1)在肋膜蒸发模式中,弯月面半径在表面张力作用下基本保持不变,此时液体蒸发量主要依靠减少液体流动面积,提高液体流速来满足。随着加热功率的增加,液面不断降低,最终弯月面底部与槽道底面发生接触,使得液体弯月面不能够再保持原状,从而从肋膜蒸发模式进入角膜蒸发模式;(2)当热管接近传热极限时,蒸发段与绝热段的毛细半径已远低于临界半径,但冷凝段的毛细半径则高于临界半径,蒸发段流动面积急剧减少,液体最高流速出现在蒸发段内;(3)轴向槽道热管的最大传热能力随着角度的增加以及高宽比的增加而提高。本文的研究工作较为系统地研究示了微槽道结构热管内气液两相流与传热特性,探究了微槽道热管重力-毛细蒸发状态下气液两相工质的脉动状态,揭示了微槽道热管内工质的运行状态与传热性能之间的联系,得到了热负荷和倾斜角度对传热特性及最大传热能力的影响。本文的相关研究成果可为电子设备散热领域中微小型槽道热管的设计和优化提供较为有力理论支持,也使得微尺度气液两相流和相变传热机理得到进一步完善。


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